Fahrradlichtanlage mit Dynamo - European Patent Office

Europäisches Patentamt
European Patent Office
EUROPÄISCHE
0 460
® Veröffentlichungsnummer:
Office europeen des brevets
585
A2
PATENTANMELDUNG
© Int. Cl.5: B62J
@ Anmeldenummer: 91109065.2
6/00
(§) Anmeldetag: 04.06.91
@ Anmelder: Vereinigte Drahtwerke AG
Neumarktstrasse 33
CH-2501 Biel(CH)
® Priorität: 07.06.90 CH 1913/90
@ Veröffentlichungstag der Anmeldung:
11.12.91 Patentblatt 91/50
(§) Erfinder: Schwaller, Edwin
Kirchbergstrasse 68
CH-5024 Küttigen(CH)
@ Benannte Vertragsstaaten:
CH DE DK FR GB IT LI NL SE
0
Vertreter: Blum, Rudolf Emil Ernst et al
c/o E. Blum & Co Patentanwälte Vorderberg
11
CH-8044 Zürich(CH)
@ Fahrradlichtanlage mit Dynamo.
© Die Fahrradlichtanlage weist eine Vorderleuchte
(VL1) und eine Rückleuchte (RL) mit bestimmtem
Spannungsnennwert auf, die über einen Stromkreis
mit einem Dynamo (G) verbunden sind. Der Stromkreis enthält einen Schaltregler (1), der unterhalb
des Spannungsnennwertes der Leuchten die Dynamospannung ungeregelt passieren lässt und diese
beim Erreichen bzw. Ueberschreiten des Nennwertes im wesentlichen verlustlos auf ein diesem Nennwert entsprechenden Spannungsniveau stabilisiert.
Damit kann das Auftreten von Ueberspannung an
den Leuchten verhindert werden. Allfällige Ueberschussleistung wird gar nicht aus dem Dynamo bezogen, oder gegebenenfalls zum Laden von Batterien verwendet.
Fig. 1
22
5l.
1
\
UE>
/
%
Vx i
Li
L.
CM
<
m
oo
LT)
CO
Iii
Rank Xerox (UK) Business Services
" C T
Vli
VL2
1
EP 0
Die Erfindung betrifft eine Fahrradhchtanlage
mit einem Stromkreis, der mindestens eine Vorderleuchte, eine Rückleuchte, einen durch das Fahrrad
antreibbaren Dynamo und eine Spannungsbegrenzungsschaltung für die Leuchtenspannung aufweist.
Solche Anlagen sind in vielfacher Ausführung,
insbesondere auch als Standlichtanlagen bekannt
geworden. Es sei hierzu auf die DE-A 31 14 767
und die DE-A-31 06 569 verwiesen. Bekannt ist
daraus bereits das Problem stark schwankender
Speisespannungen und entsprechend geringer,
bzw. schwankender Lichtausbeute der damit betriebenen Glühlampen. Zur Abhilfe wurden elektronische Spannungs- und Strombegrenzungseinrichtungen in Form von Zenerdioden vorgeschlagen,
mit denen schädliche Spannungspitzen von der
Glühlampe ferngehalten werden. Anderseits war bei
Batteriespeisung vorgesehen, beim Abfallen der
Spannung zusätzliche Batterien zuzuschalten. Bei
diesen vorbekannten Anlagen war es nötig, die
Spannung auf dem tieferen Niveau der Batteriespannung zu begrenzen, wobei bei höheren Spannungen elektrische Leistung ungenützt blieb, bzw.
vernichtet wurde. Dies ist ineffizient, insbesondere
wenn die Fahrradlichtanlage auch mit wiederaufladbaren Batterien soll betrieben werden können.
Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine
Fahrradlichtanlage zu schaffen, bei welcher lampenschonend unter jeder Betriebsbedingung eine
optimale Lichtausbeute bei allen Geschwindigkeiten
mit einem minimalen Dynamowiderstand und optimalen Ladebedingungen verbunden werden kann,
falls wiederaufladbare Batterien verwendet werden,
so dass sich die Batterielebensdauer erhöhen
lässt.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, die Fahrradlichtanlage basierend auf derselben Grundschaltung in verschiedenen Ausbaustufen ausbilden zu
können, welche mit bestehenden Anlageteilen kompatibel sind, so dass auch bestehende Fahrräder
damit nachrüstbar sind.
Schliesslich ist es ein Ziel der Erfindung, eine
Lichtanlage zu schaffen, bei der kleine Eigenverluste auftreten und die so geschaltet sein kann, dass
sie bei Verwendung wiederaufladbarer Batterien
ständig mitläuft, ohne den Fahrwiderstand wesentlich zu beeinflussen. Diese Aufgaben werden mittels der Merkmale gemäss den Patentansprüchen
gelöst.
Die Verwendung eines Dynamos mit nahezu
inearer Kennlinie, in Kombination mit einem die
Spannung stabilisierenden Schaltregler, erlaubt eilen besonders effizienten Betrieb der FahrradJchtanlage, sei es in Verbindung mit einer wiederaufladbaren Batterie oder ohne eine solche.
Durch die Stabilisierung der Spannung auf einem vorgegebenen, dem Nennwert der Lampen
sntsprechenden Niveau, wird die Ueberschusslei-
585 A2
5
w
75
20
25
30
35
40
45
50
55
2
stung nicht vernichtet, sondern entweder überhaupt
nicht aus dem Dynamo bezogen oder gegebenenfalls zum Laden von Batterien verwendet. Dementsprechend wird nicht nur die Spannung, sondern
auch der Drehwiderstand des Dynamos auf einem
optimalen Wert stabilisiert.
Die Dynamoausgangsspannung wird mittels eines Schwellenwertschalters gemessen und in mindestens zwei, vorzugsweise drei, Schaltzustände
der Anlage umgesetzt, welche der jeweils erzeugten Spannung optimal angepasst sind.
Der Dynamo kann als ständig mitlaufender Nabendynamo ausgebildet sein. Die damit erzeugte
Leistung reicht bei optimaler Ausnutzung sowohl
für Fahr- als auch Standlichtbetrieb aus.
Die beanspruchte Fahrradlichtanlage kann in
verschiedenen Ausbaustufen, d.h. mit einer oder
zwei Lampen für die Vorderleuchte, mit oder ohne
wiederaufladbare Batterien und mit oder ohne
Steuerlogik vorgesehen sein, womit sie sich je
nach Ausbaustufe mit herkömmlichen Dynamos
und Leuchten kombinieren lässt.
In der höchsten Ausbaustufe wird über die
Steuerlogik ein Ladegerät für die wiederaufladbaren Batterien, abhängig vom jeweiligen Fahr- und
Betriebszustand des Fahrrades, in unterschiedliche
Ladezyklen geschaltet. Damit kann sowohl der Ladevorgang als auch der Betriebszustand der
Leuchten dem Fahrzustand optimal angepasst werden, so dass bei normalem, zyklischen Fahrverhalten immer sowohl Fahrlicht als auch Standlicht
nach den gesetzlichen Normen gewährleistet ist.
Nachfolgend werden anhand der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen AnOrdnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Grundschaltung für eine erste Anordnung, wobei strichliert eine zweite Ausbaustufe
eingezeichnet ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Schaltung des Schaltreglers von Fig. 1,
Fig. 3 ein Diagramm der Arbeitsweise des
Schaltreglers von Fig. 2,
Fig. 4 eine Schaltung für eine zweite Anordnung
mit nur einer Lampe in der Vorderleuchte und
wiederaufladbaren Batterien,
Fig. 5 ein Blockschema eines Teils der Schaltung gemäss Fig. 4, zur Darstellung der Laderegelung,
Fig. 6 ein Diagramm der Schaltzustände in Abhängigkeit der Geschwindigkeit,
Fig. 7 ein Spannungs-Geschwindigkeits-Diagramm gemäss Figur 6,
Fig. 8 ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Schaltung gemäss den Figuren 4 und 5 für einen
Fahrzyklus,
Fig. 9 ein Blockschema einer dritten Anordnung
gemäss Figur 4, jedoch mit zwei unterschiedlichen Lampen in der Vorderleuchte und weiteren
3
EP 0 460 585 A2
Elementen, wie Bremslicht
Fig. 10 ein Blockschema einer zusätzlichen Anzeigeeinrichtung,
Fig. 11 eine Zusammenstellung der Komponenten einer vollständig ausgebauten Anlage;
Fig. 12 ein entsprechend ausgerüstetes Fahrrad,
und
Fig. 13 ein Fahrrad, bei welchem die Anlage mit
herkömmlichen Leuchten und Dynamo kombiniert ist.
Zunächst soll anhand der Figuren 1 bis 3 die
Funktionsweise einer Grundschaltung der Lichtanlage erläutert werden. Diese Grundschaltung stellt
zugleich eine erste Ausbaustufe der Anlage dar.
Die Lichtanlage besitzt einen Generator G, der
als Fahrraddynamo ausgebildet ist, wie noch näher
erläutert wird. Dieser liefert nach entsprechender
Gleichrichtung eine Gleichspannung UE, bzw. einen
Gleichstrom, deren Grösse mit der Fahrgeschwindigkeit zunimmt. Mittels einem Kondensator K am
Ausgang kann die Ausgangsspannung UE zusätzlich geglättet und mit einer Zenerdiode die Elektronik vor Ueberspannung geschützt werden.
Die Spannungs-Geschwindigkeits-Kennlinie K
des verwendeteten Dynamos (vergl. Fig. 6) bewirkt,
dass bei höheren Fahrgeschwindigkeiten Ueberspannungen erzeugt werden, welche die Fahrradlampen zerstören würden, und die den gesetzlichen Normen nicht entsprächen.
Erfindungsgemäss kann aber gerade die Erzeugung von Ueberspannungen für einen effizienten Betrieb der Lichtanlage ausgenutzt werden.
Hierzu wird zwischen dem Dynamo G und den
Lampen RL (Rücklicht) und VU1, bzw. VL2 (Vorderlicht) ein Schaltregler 1 angeordnet, der
über einen Schalter 2 ein- und ausgeschaltet werden kann. Ist er ausgeschaltet, wirkt der Schaltregler 1 wie ein offener Schalter und die Lampen
sind nicht am Dynamo G angeschlossen. Ist er
eingeschaltet, so stabilisiert er die Spannung beinahe verlustfrei auf einem wählbaren Wert.
Anhand der Figuren 2 und 3 soll beispielshalber die Funktionsweise eines solchen Schaltreglers
erläutert werden.
Bis zu einer gewünschten Ausgangsspannung
UA (von im vorliegenden Beispiel 5.8 V) ist ein
elektronischer Schalter 3 ständig geschlossen. Die
Dynamospannung kann in diesem Bereich verlustlos zunehmen bis die gewünschte Ausgangsspannung UA erreicht ist. Nimmt die Dynamospannung
weiter zu (Fig. 3), so wird der elektronische Schalter durch einen Oszillator 11 in einer festgelegten
Schaltfrequenz von z.B. 100 KHz geöffnet und wieder geschlossen.
In Funktion der Eingangsspannung UE wird dabei das Tastverhältnis te/T verändert und zwar so,
dass der Mittelwert der durchgelassenen Spannungsimpulse gerade der stabilisierten Ausgangs-
5
w
15
20
25
30
35
40
45
so
55
3
4
spannung UA entspricht. Zugleich ist damit auch
eine Strombegrenzung verbunden. Die Spannungsimpulse werden in einem LC-Filter zur Gleichspannung UA gewandelt. Eine entsprechende RegelSchaltung zur Einstellung des Tastverhältnisses mit
einem Operationsverstärker 4 und einer Referenzspannungsquelle 5 ist in Fig. 2 dargestellt. Der
Regelverstärker ist vorzugsweise in C-MOS-Technik aufgebaut und arbeitet mit einem Wirkungsgrad
von über 90 %.
Uebersteigt die Dynamospannung UE die gewünschte Ausgangsspannung UA, so wird also
nicht elektrische Leistung vernichtet, sondern der
Dynamo wird entlastet, womit auch die elektromotorische Kraft im Dynamo und damit der Fahrwiderstand entsprechend auf einen optimalen Wert begrenzt ist. Arbeitet der Dynamo G in diesem Bereich, so leuchten die Lampen des Vorder- und
Rücklichts mit konstanter Helligkeit. Die Lampennennwerte sind mit z.B. 6 V/2.5 W für das Vorderlicht und 6 V/0.6 W für das Rücklicht auf diese
stabilisierte Spannung abgestimmt.
Wird die Fahrt verlangsamt, so wird in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit eine Spannung erzeugt, die zwischen 0 und 5.8 V liegt. Die Lampen
leuchten je schwächer, desto mehr die Spannung
unter ihre Nennspannung fällt. Es besteht damit die
Gefahr zu schwachen Lichtes, umso mehr als auch
die Lichtausbeute abnimmt, je stärker vom Lampennennwert abgewichen wird. Um dies zu verhindern, ist in einer zweiten Ausbaustufe der beschriebenen Anlage ferner ein Schwellenwertschalter 6
vorgesehen (vergl. Fig. 1 oder 4), der die Dynamospannung abgreift. Im strichliert ergänzten Beispiel
von Figur 1 erzeugt der Schwellenwertschalter 6
zwei Zustände und die Vorderleuchte besitzt zwei
Lampen (oder eine Lampe mit zwei Wendeln) mit
unterschiedlichen Nennspannungen. Der Schaltregler weist zwei, diesen Nennspannungen entsprechende Stabilisierungsstufen auf. Nachfolgend werden diese beiden Stufen durch die Bezeichnung
Schaltregler 1 für die erste und Schaltregler 1' für
die zweite Stufe unterschieden. Befindet sich die
Spannung unterhalb eines Wertes VXi (= 4.5 V im
Beispiel), so wird sie durch Schaltregler 1' auf 3.6
V stabilisiert und ist über einen Schalter 7 an die
erste Lampe der Vorderleuchte VL1 mit niedriger
Nennspannung (im Beispiel 3.6 V, 1 W) angeschlossen. Uebersteigt die Spannung den Wert
VXi, so wird sie über den Schaltregler 1 an die
zweite Lampe VL2 angeschaltet.welche eine höhere
Nennspannung (= 6, V; 2.5 W im Beispiel) besitzt.
Fällt die Spannung von oben her unter einen Wert
VX2 (4.2 V im Beispiel), so läuft der Vorgang umgekehrt ab. Eine Hysterese von ca. 0.3 V zwischen
den Umschaltspannungen VXi und VX2, vermeidet
ein dauerndes Umschalten und damit ein Flackern
des Lichts, wenn die erzeugte Dynamospannung
5
EP 0 460 585 A2
im entsprechenden Bereich schwankt.
Damit können bei Verwendung zweier Lampen
für die Vorderleuchte im wesentlichen drei Betriebszustände unterschieden werden. Liegt die Dynamospannung in einem Bereich zwischen 0 und
4.5 V, so wird die Spannung auf niedrigem Niveau
stabilisiert, und es wird die erste Lampe mit niedriger Nennspannung betrieben, welche in diesem
Bereich eine gute Lichtausbeute sicherstellt. Uebersteigt die Dynamospannung den Wert 4.5 V, so
erfolgt die Umschaltung auf die zweite Lampe
(bzw. Wendel) und das höher stabilisierte Spannungsniveau. Damit wird eine Ueberspannung an
den beiden Lampen verhindert, indem für beide
eine Spannungsbegrenzung bei ihrer Nennspannung wirksam wird.
Im Bereich unterhalb der jeweiligen Nennspannungen werden die Lampen bei schwankender Dynamospannung aber relativ guter Lichtausbeute betrieben.
In den Figuren 4 und 8 ist eine weitere Anwendung des Schaltungsprinzips gezeigt, wobei nun
die der Dynamospannung angepassten Schaltzustände nicht lampenseitig, sondern auf der Seite
der Speisung bzw. der Ladesteuerung erzeugt und
zur Spannungsstabilisierung, bzw. optimalen Batterieaufladung ausgenützt werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind demzufolge speisungsseitig wiederaufladbare Batterien 8 (mit einer Nennspannung
von 3.6 v) vorgesehen, die über einen Batterieladewandler 9, der in Figur 5 im Detail gezeigt ist, an
den Dynamo G angeschlossen sind. Der Dynamo
G besitzt eine Spannungs-Geschwindigkeits-Kennlinie K (Fig. 6, 7). Es ist verbraucherseitig eine
Vorderleuchte Vu mit nur einer Lampe sowie eine
Rückleuchte RL vorgesehen, so dass diese Anlage
mit herkömmlichen Fahrradleuchten betrieben werden kann.
Bei der hier gezeigten Ausführung der Lichtelektronik werden bei eingeschaltetem Licht drei
Betriebszustände unterschieden, die im folgenden
mit den Buchstaben A, B und C bezeichnet werden. In Fig. 6 sind diese Betriebszustände in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit des Fahrrades
dargestellt. Die erste Linie in Figur 6 zeigt die
Spannungs-Geschwindigkeits-Kennlinie K von Dynamo G. Die zweite Linie zeigt die Umschaltung
von Betriebszustand A auf Betriebszustand B entsprechend dem logischen Signal aus einem ersten
Schwellenwert-Schalters 6'. Die dritte Zeile stellt
das entsprechende logische Signal eines zweiten
Schwellenwert-Schalters 6" dar. Auf der untersten
Linie schliesslich ist der Ladestrom I für die Batterie 8 gezeigt. Der Verlauf der an den Lampen
auftretenden Ausgangs-Spannung Ua ist aus Figur
7 zu entnehmen.
Der Betriebszustand A wird bei Stillstand oder
langsamer Fahrgeschwindigkeit (bis z.B. 7 km/h)
5
w
15
20
25
30
35
40
45
50
55
4
6
eingenommen, solange die Ausgangsspannung des
Dynamos G unter einem ersten Schwellenwert I
von z.B. 3.6 V bleibt. Im Betriebszustand A wird die
Lampenenergie aus der Batterie 8 bezogen, und
die anfallende Dynamoenergie wird nach geeigneter DC/DC-wandlung im Ladewandler 9 in die Batterie 8 geladen.
Wird der genannte Schwellenwert I bei grösserer Fahrgeschwindigkeit überschritten, so erfolgt
die Umschaltung in den Betriebszustand B, solange die volle Lampenspannung noch nicht erreicht
ist. In diesem Bereich arbeitet der Ladewandler 9
als Konstant-Kleinstromwandler zur Erzeugung eines konstanten Ladestroms von etwa 10 mA für die
Batterie 8. Diese Belastung entspricht etwa den
normalen Lampen-Widerstandstoleranzen und ist
deshalb zulässig. Für die Batterie 8 ist es jedoch
wichtig, dass auch sie bei der (häufigsten) Fahrgeschwindigkeit zwischen ca. 6 bis 14 km/h geladen
wird.
Bei Fahrgeschwindigkeiten über ca. 15 km/h,
übersteigt die Dynamospannung UE die LampenNennspannung von 6 V. Hier wird nun der Betriebszustand C angenommen, sobald ein Schwellenwert II von ca. 5.8 V der Dynamospannung
erreicht ist. In diesem Betriebszustand wirkt die
Elektronik als Spannungs-Konstanthalter, da bei einer Ueberschreitung der Lampen-Nennspannung
deren Lebensdauer sehr stark abnimmt. Die überschüssige Dynamoenergie wird in die Batterie 8
geladen. Der so erreichbare Ladestrom kann bis
250 mA erreichen (Schnell-Ladung).
In Figur 4 ist ein entsprechender Schaltungsaufbau dargestellt. Der normierte Dynamo G ist
über einen Gleichrichter 30 mit Siebung an die
Elektronik angeschlossen. Diese besitzt einerseits
einen Schwellenwert-Schalter 6 mit einem ersten
Schwellenwert I der Dynamospannung UE bei etwa
Vx = 3.6 V und einem zweiten Schwellenwert II bei
etwa V = 5.8 V. In den Figuren 4 und 5 ist der
Schwellenwert-Schalter 6 graphisch entsprechend
in zwei Blöcke aufgeteilt. Der Schwellenwert-Schalter 6 stellt die erwähnten Schwellenwerte der Dynamospannung fest und gibt entsprechende Steuersignale an eine Steuerlogik 10. Die Steuerlogik
10 besitzt drei Regelkreise 31, von denen jeder
einem der erwähnten Betirebszustände zugeordnet
ist, und die deshalb in Figur 5 durch entsprechende Blöcke A, B, C dargestellt sind. Je nach Betriebszustand wird einer dieser Regelkreise über
eine Logik 32 mit dem Ladewandler 9 verbunden
und liefert diesem entsprechende Stellsignale, wie
aus Figur 5 zu entnehmen ist.
Der Ladewandler ist zwischen den Gleichrichter
30 und die Batterie 8 geschaltet und besitzt ebenfalls einen Schaltregler 33, der über einen
Feedback-Eingang FB die Stellsignale der Regelkreise 31 empfängt. Das entsprechend geregelte
7
EP 0 460 585 A2
Ausgangssignal dieses Schaltregiers gelangt über
einen Transformator 34 und eine Gleichrichteranordnung (vergl. Fig. 1 bis 3) als Gleichstrom in die
Batterie 8, wie sich insbesondere aus Fig. 5 ergibt.
In Betriebszustand A erfolgt die Regelung der
Last durch Widerstandsanpassung so, dass die in
diesem Bereich anfallende Dynamoenergie optimal
in die Batterie 8 geladen wird. Die Lampe bezieht
dabei ihre Energie vollständig aus der Batterie,
weshalb die Lampenspannung nicht unter die Batteriespannung von 3.6 V fällt. Der Regelkreis 31 A
arbeitet so, dass beim Erreichen der ersten
Schwellenwertspannung I die Dynamobelastung
etwa der Lampenlast (von ca. 12 D) entspricht.
Dies, um die Umschalt-Hysterese AU beim Umschalten in den Betriebszustand B klein zu halten,
damit keine starke Lichtschwankung in den Lampen VL und RL auftritt.
Das Umschalten von Betriebszustand A in Betriebszustand B erfolgt mit Hysterese, wie insbesondere den Figuren 6 und 7 zu entnehmen ist.
Die Hinaufschaltung von A nach B erfolgt bei einer
etwas höheren Spannung Vx1, als das Zurückschalten von B nach A bei der tieferen Spannung Vx2.
Damit kann ein ständiges Umschalten in diesem
Fahrbereich und ein Flackern des Lichts verhindert
werden.
Im Betriebszustand B bezieht die Lampe den
Strom aus dem Dynamo (Fig. 7). Bis die volle
Lampenspannung erreicht ist, sollte sie nicht zu
stark zusätzlich belastet werden durch die Batterieaufladung. Dennoch ist es für die Energiebilanz
wichtig, dass auch in diesem häufigen Fahrbereich
eine Ladung erfolgt. Wie bereits erläutert, wird der
Schaltregler 33 deshalb über den Regelkreis B so
geregelt, dass ein kleiner konstanter Ladestrom von
z.B. 10 mA erzeugt wird. Da dies lediglich etwa
den normalen Lampen-Widerstandstoleranzen entspricht, wird die Lichtausbeute dadurch nicht merklich beeinträchtigt.
Wird bei Fahrgeschwindigkeiten von etwa 15
km/h die Nennspannung der Lampen von 6 V erreicht, so schaltet der Schwellenwert-Schalter 6"
den Regelkreis 31 C an den Ladewandler 9. Dieser
Regelkreis regelt die Dynamobelastung so, dass
eine Spannung von 6 V mittels Reglerlast auf jeden
Fall nicht überschritten wird. Die Ueberspannungsenergie wird in die Batterie geladen (vergl. Fig. 6
und 8). Bei Talfahrt mit hoher Geschwindigkeit
kann so ein Ladestrom bis zu 250 mA erzeugt und
eine Schnell-Ladung der Batterie erzielt werden.
Zwischen der Batterie 8 und den Lampen ist
ein Schaltregler 1' angeordnet. Er stabilisiert die
Spannung bzw. den Strom aus der Batterie 8, bzw.
aus dem Ladewandler 9, der an die Lampen gelangt, auf einem Wert von z.B. 3.2 V, so dass eine
der Sicherheit förderliche, konstante Lampenhelligkeit gewährleistet ist. Er wird im Betriebszustand A
5
w
75
20
25
30
35
40
45
so
55
5
8
bei kleiner Dynamospannung aktiv.
Beim Fahren mit Dynamo und ausgeschaltetem Licht (= Laden) arbeitet die Schaltung im
Betriebszustand A, d.h. die Dynamolast entspricht
etwa der Lampenlast. Die Batterien werden nahezu
mit der Energie geladen, die die Lampen verbrauchen würden. Der geladene Zustand dann von einer Batterieüberwachungsschaltung 36 festgestellt
und über die Steuerlogik 10 mittels einer Leuchtdiode LED angezeigt.
Die Leuchtdiodenanzeige gestattet es dem
Fahrer, in jeder Betriebsphase den Zustand der
Lichtanlage zu erkennen. Die Anzeige erfolgt zum
Beispiel wie folgt:
Die Diode leuchtet dauernd, wenn das Licht
eingeschaltet ist und die Batteriekapazität zwischen
etwa 30 % und 90 %.
Die Diode blinkt im 1 Hz-Takt, wenn beim
Fahren mit Licht die Batteriekapazität unter etwa 30
% sinkt.
Die Diode blinkt im 4 Hz-Takt, wenn das Licht
ausgeschaltet ist, und die Batterien geladen werden, bis eine Batteriekapazität von etwa 90 %
erreicht ist.
Ist die Batteriekapazität über 90 % so wird die
LED-Anzeige inaktiv.
Die Batterieüberwachungsschaltung 36 hat ferner die Funktion einer Batterieanwesenheitskontrolle. Ist die Batterie 8 nicht vorhanden oder tiefentladen, so wird dies über eine Anwesenheits-Kontrollogik festgestellt und in der Steuerlogik 10 gespeichert. In diesem Falle bleibt die beschriebene Elektronik inaktiv. Ueber ein Relais Ri , n werden dann
die Lampen VL, RL direkt an den Dynamo G angeschlössen (Fig. 4). Der Batterie-Ladewandler arbeitet in diesem Fall in der Betriebsart B, d.h. er
erzeugt einen kleinen Ladestrom. Es wird damit
einerseits ein Tiefentladeschutz für die Batterie 8
und andererseits eine Sicherstellung des Fahrens
mit Licht erreicht.
Die Steuerlogik ist mittels Taste 2 betätigbar.
Mit einer längeren Tasterbetätigung (grösser als
z.B. 0.25 sec) kann der Speicher in der Steuerlogik
10 auf "Ein" gesetzt werden, womit die Lichtanlage
über die Steuerlogik 10 eingeschaltet wird. Mit
kurzer Tasterbestätigung (weniger als 0.25 sec)
wird der Speicher auf "Aus" gesetzt und die Anlage ausgeschaltet. Ferner ist mit der Steuerlogik 10
ein Standlicht-Zeitgeber 13 verbunden, dessen
Funktion noch erläutert wird.
Ein Vorteil der beschriebenen Ausführung mit
Batterieunterstützung Liegt in der Standlichterzeugung. Wird das Fahrrad angehalten und sinkt damit
die Ausgangsspannung des Dynamos G auf Null,
so tritt, gemäss der vorstehenden Beschreibung,
der Betriebszustand mit Batteriespeisung bei auf
3.2 V stabilisierter Spannung ein. Das Licht brennt
also bei reduziertem Verbrauch weiter, sofern es
9
EP 0 460 585 A2
eingeschaltet ist. Unterschreitet die Dynamospannung einen Minimalwert Vo (von z.B. 1 V), wird
dies im Schwellenwertschalter 6 festgestellt und
ein Signal für die Steuerlogik 10 erzeugt. Diese ist
mit einer Timer-Schaltung 13 verbunden, welche in
diesem Moment startet und während einer bestimmten Zeit T (von z.B. 4 min) zählt. Während
dieser Zeit bleibt der Schaltregler 1' eingeschaltet
und das Licht brennt weiter. Ist diese Zeit abgelaufen, so schaltet die Steuerlogik den Schaltregler 1'
aus und das Licht wird gelöscht, obschon der
Ein/Aus-Speicher 12 noch auf EIN steht. Erzeugt
der Dynamo wiederum eine Spannung, welche Vo
( = 1 V) übersteigt, oder wird der Taster länger als
0.3 sec betätigt, so wird die Timer-Schaltung 13
zurückgesetzt, und der Schaltregler 1' wieder eingeschaltet, so dass das Licht wieder bei 3.2 V
stabilisiert brennt. Mit dieser Aus- und Einschaltautomatik kann ein Stand lieh betrieb ohne allzu grossen Batterieverbrauch und ohne besondere Handhabung durch den Benutzer gewährleistet werden.
In Figur 8 sind die beschriebenen Betriebszustände in mehreren zusammengehörenden Diagrammen zu einem beliebigen Fahrprofil schematisch zusammengefasst.
Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, ist die
Fahrradlichtanlage so ausgestaltet, dass sowohl
verbraucherseitig als auch speiseseitig während
des gesamten Fahrzyklus zwischen verschiedenen
Betriebszuständen umgeschaltet wird, von denen
jeder der jeweiligen Betriebssituation optimal angepasst ist. Damit kann gewährleistet werden, dass
bei normalen Fahrzyklen immer gutes Licht zur
Verfügung steht, die Batterien immer geladen sind
und der Fahrwiderstand begrenzt bleibt.
Nachdem bisher Anlagen beschrieben wurden,
bei denen alternativ nur auf der Verbraucherseite
oder auf der Speiseseite zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen umgeschaltet wurde, was
entweder die Verwendung mit herkömmlichen Dynamos oder mit herkömmlichen Lampen erlaubt,
wird in Fig. 9 eine Anlage gezeigt, bei welcher
sowohl auf Speisungs- als auch auf Verbraucherseite entsprechend zwischen den Betriebszuständen umgeschaltet wird. Es kann dabei weitgehend
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen werden, wobei jeder Schaltregler 1, bzw. 1', mit einer
eigenen Lampe (bzw. Wendel) VL1, bzw. VL2 der
Vorderleuchte verbunden ist. Dabei werden für die
Vorderleuchte mit Vorteil Halogenlampem mit zwei
Wendeln unterschiedlicher Nennleistung eingesetzt. Für das Rücklicht RL ist weiterhin ein Umschalter 16 vorgesehen, welcher den jeweils aktiven Schaltregler an das Rücklicht anschliesst. Im
übrigen arbeitet diese Anlage wie vorstehend beschrieben mit dem Unterschied, dass beim Umschalten zwischen den beiden Schaltreglern ein
Spannungssprung von 3.6 V auf ca. 4.5 V erfolgt,
5
10
75
20
25
30
35
40
45
50
55
3
10
da der Lichtwert der Lampe VLi (3.6 / 1.2 W) etwa
demjenigen der Lampe VL2 (6 V / 2.5 W) bei 4.5 V
Betriebsspannung entspricht. Damit ist beim Umschalten zwischen den beiden Lampen (bzw. Wendein) kein Helligkeitsunterschied wahrnehmbar. In
Fig. 9 ist ferner eine Bremslichtfunktion angedeutet,
die zum Rücklicht RL hinzukommen kann. Dazu ist
einerseits ein Bremskontakt 17 im Bereich der
Bremsen und anderseits ein LED-Rücklicht 18 mit
zwei Segmenten vorgesehen (vergl. Fig. 11). Das
eine Segment dient als Rücklicht bei Nacht und
das andere als Bremslicht. Beide werden über denselben Draht gespeist, wobei die Uebertragung des
Bremslichtes mittels einer Zusatzelektronik 19 moduliert und im Bremslicht decodiert wird. Damit
kann über die gleiche Speisung wahlweise das
Rücklicht und/oder das Bremslicht betätigt werden.
Die Kompatibilität mit normalem Rücklicht ist dabei
gewährleistet.
Schliesslich zeigt Fig. 10 als weitere Option
eine Steuerschaltung 20 für eine Anzeige- und Betätigungseinheit 21, welche an die Steuerlogik 10
angeschlossen ist. Aus der gemessenen DynamoSpannung UE kann auf die Fahrgeschwindigkeit
geschlossen werden, woraus durch Zeitmessung
die zurückgelegte Distanz etc. errechnet und angezeigt werden kann.
Die bisher beschriebene Fahrradlichtanlage
kann mit herkömmlichen Dynamos G betrieben
werden.
Die beschriebene Fahrradlichtanlage ist aus
mehreren Komponenten zusammengesetzt, welche
je nach Ausbaustand der Anlage teilweise durch
herkömmliche Komponenten ersetzt werden können. In Fig. 11 ist die Anlage übersichtsmässig mit
ihren Komponenten gezeigt. Die Figuren 12 und 13
zeigen entsprechend ausgerüstete Fahrräder. Kernstück der Anlage ist ein Elektronikgehäuse 22, das
die beschriebene Elektronik in den möglichen Ausbaustufen enthält. Das Elektronikgehäuse 22 dient
vorzugsweise auch als Lampengehäuse für die
Vorderleuchte, falls diese mit zwei Halogenlampen
Vu, VL2 (bzw. einer Lampe mit zwei Wendeln)
ausgerüstet ist. Wird die Elektronik mit einer herkömmlichen Vorderleuchte VL' betrieben, so kann
statt des Leuchtenteils ein Deckel 23 am Gehäuse
22 angeordnet werden. Dieses wird dann an geeigneter Stelle am Fahrradrahmen befestigt (Fig. 13).
Ferner ist eine separate Anzeigeeinheit 21 vorgesehen, welche im Gesichtsfeld des Fahrers angeordnet ist (Fig. 12) und die beschriebenen LED-Anzeigen und Schalter 11 aufweist. Die wiederaufladbaren Batterien 8 sind in der Regel im Elektronikgehäuse 22 untergebracht. Falls eine Zusatzbatterie
8', bzw. Sonnenzellen 24 verwendet werden, können diese im Bereich des Gepäckträgers angeordnet sein (Fig. 12). Die Elektronik ist an einen Dynamo G angeschlossen, der z.B. ein Radnabendyna-
11
EP 0 460 585 A2
mo sein kann. Wird ein LED-Rücklicht Rl mit
Bremslicht BL verwendet, so ist die Bremse entsprechend mit einem Taster 17 für das Bremslicht
ausgerüstet, der wie beschrieben mit der Elektronik
22 verbunden ist. Es kann jedoch auch ein herkömmliches Rücklicht RL' eingesetzt werden.
In Figur 12 ist ein Fahrrad gezeigt, das mit
einer voll ausgebauten Fahrradlichtanlage mit Nabendynamo 32, Elektronik 22 mit angebauten Halogenlampen VLi, VL2, Anzeigeeinheit 21, LED-Rücklicht RL mit Bremslicht BL und Sonnenzelllen 24
vorgesehen ist. Die Elektronik entspricht derjenigen
von Fig. 6.
Figur 13 zeigt dagegen die Fahrradlichtanlage
in Kombination mit herkömmlicher Vorderleuchte
VL\ herkömmlichen Dynamos G und herkömmlichem Rücklicht RL. Die Elektronik entspricht dabei
derjenigen von Figur 4.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung
ergibt, gestattet die Fahrradlichtanlage einen sparsamen, die zur Verfügung stehende elektrische Leistung optimal ausnützenden Betrieb, der in allen
Fahrzyklen des Fahrrades eine vorschriftsgemässe,
optimale Lichterzeugung sicherstellt. Sie kann in
verschiedenen Ausbaustufen in bereits bestehende
Fahrradlichtanlagen integriert werden.
5
2.
3.
Fahrradlichtanlage mit einem Stromkreis, der
mindestens eine Vorderleuchte, eine Rückleuchte und einen durch das Fahrrad antreibbaren Dynamo aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Dynamo und Leuchten
mindestens ein Schaltregler angeordnet ist,
welcher die Dynamospannung beim Erreichen
bzw. Ueberschreiben eines Spannungs-Nennwertes der Leuchten im wesentlichen verlustlos
auf ein dem Nennwert entsprechendes Spannungsniveau stabilisiert.
Fahrradlichtanlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen dem Dynamo
(G) und einer wiederaufladbaren Batterie (8)
ein Ladewandler mit einem Schwellenwertschalter (6) angeschlossen ist, der in Abhängigkeit der Ausgangsspannung (UE) des Dynamos (G) mindestens zwei Schaltzustände festlegt, um den Ladezustand für die Batterie der
vom Dynamo (G) erzeugten Spannung anzupassen.
Fahrradlichtanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorderleuchte zwei Lampen (VLi, VL2)
oder eine Lampe mit mindestens zwei Wendeln mit unterschiedlicher Nennspannung besitzt, welche der vorgegebenen tieferen, bzw.
4.
Fahrradlichtanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass je nach der Ausgangsspannung
des Dynamos (G) die Lampen von der Batterie
oder vom Dynamo gespeist werden.
5.
Fahrradlichtanlage nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass zwei Schaltregler vorgesehen sind, wobei der erste die vom Dynamo
(G) gelieferte Spannung auf eine vorgegebene
höhere und der zweite die von den Batterien
gelieferte Spannung auf die vorgegebene tiefere Leuchtenspannung stabilisiert.
6.
Fahrradlichtanlage nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwertschalter so ausgebildet ist, dass er erst bei
einem vorbestimmten Ausgangsspannungswert
des Dynamos, der über der vorgegebenen,
tieferen Leuchtenspannung liegt, vom zweiten
in den ersten Schaltzustand umschaltet.
7.
Fahrradlichtanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwertschalter (6)
so ausgebildet ist, dass er beim Unterschreiten
eines vorgegebenen Minimalspannungswert
des Dynamos (G) einen dritten Schaltzustand
erzeugt, nach dessen Eintritt mittels einer
Steuerlogik (10) die Leuchte, bzw. Schaltregler
(1; 1') ausgeschaltet werden.
8.
Fahrradlichtanlage nach Anspruch 7 dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuerlogik (10) eine
Zeitzählschaltung (13) aufweist, welche jeweils
beim Eintritt des dritten Schaltzustandes gestartet wird und die Leuchte nach Ablauf eines
vorbestimmten Zeitintervalls ausschaltet.
9.
Fahrradlichtanlage nach Anspruch 2, wobei der
Batterieladewandler zwischen einem Minimalladebetrieb, einem Dauerladebetrieb und einem
Schnellladebetrieb umschaltbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Steuerlogik derart
ausgebildet ist, dass der Batterieladewandler
(8)
- bei ausgeschalteter Leuchte im Dauerladebetrieb zwischen Dynamo (G) und Batterien (8) geschaltet ist,
- in einem ersten Schaltzustand bei eingeschalteter Leuchte und Speisung durch
die Batterie im Schnellladebetrieb zwischen Dynamo (G) und Batterien (8) ge-
15
25
Patentansprüche
1.
der vorgegebenen höheren Leuchtenspannung
entsprechen, wobei je nach der Ausgangsspannung (Ue) des Dynamos eine der beiden
Lampen bzw. Wendeln in Betrieb ist.
10
20
30
35
40
45
so
55
7
12
13
EP 0 460 585 A2
schaltet ist,
- in einem zweiten Schaltzustand bei eingeschalteter Leuchte und Speisung
durch Dynamo im Minimalbetrieb arbeitet, bis die höhere Leuchtenspannung erreicht ist, und
- in einem dritten Schaltzustand beim Ueberschreiten der höheren Leuchtenspannung im Schnellladebetrieb zwischen Dynamo (G) und Batterien (8) geschaltet ist.
10. Fahrradlichtanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das Rücklicht (RL) mit einem Bremslicht
(BL) kombiniert ist, wobei beim Schliessen eines Bremskontakts (17) die Rücklichtspeisung
mittels einer Modulationsschaltung (19) modulierbar ist, derart, dass beim Auftreten des modulierten Signals das Bremslicht betätigt ist,
wobei die Bremslichtspeisung stets durch die
Batterie erfolgt.
11. Fahrradlichtanlage nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schaltregler (1) und
der Schwellenwertschalter (6) als Baueinheit
ohne Batterien ausgebildet sind, die mit einer
Vorderleuchte mit einer oder mit zwei Lampen
(V1.1, VL2), bzw. Wendeln sowie einer Rückleuchte (RL) kombinierbar ist.
12. Fahrradlichtanlage
mit Standlichtelektronik
nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schaltregler (1, 1')
und der Schwellenwertschalter (6) mit den Batterien (8) und einem Batterieladewandler (9) zu
einer Baueinheit zusammengefasst sind, die
mit einer Vorderleuchte mit einer oder mit zwei
Lampen, bzw. Wendeln (VL1, VL2) sowie einer
Rückleuchte (RL) kombinierbar ist.
5
w
75
20
25
30
35
B
14
EP 0 460 585 A2
AUS
9
;P 0 460 585 A2
TU
EP 0 460 585 A2
ß
A
A
3/
31
Fig.
11
5
EP 0 460 585 A2
U£ i (Volt)
(3^)
(2 V)
km/h
ÜE>3.6V\
UE>6V
I
JmA)
2£>Omb\
iOOmM
' W h
c
A
Fig.
12
6
EP 0 460 585 A2
Fig.
7
V
(Vbtt)
t
/
^
*tt* /
^
^
S
^
^
^
5,8V
5,7 V
^
[km/h)
F i g . 8
7V
1% @
IV'o
jeineo
Imer
T U .
r
Batterie |
iQttbchattregLTElN
I
A
C
B
3
j AUS [Bott.SY.T EIN
EP 0 460 585 A2
Fig. 9
-
Q S W
Vli
/
o
B
VL2
16
10
/
17
-o
,
18
19
V
Y
Rl
Fig.
10
Ue Oynamo
10
14
EP 0 460 585 A2
15
EP 0 460 585 A2
Fig. 1 2
16